淺談利用3D打印模型輔助物理模型建構

童有彩　張安軍

摘要：物理是我國中學基礎教育中的重要科學。將3D打印技術運用到物理課堂教學和學生實際問題分析的過程中，可以將課本練習中物理情境以實物模型展現在學生的面前，從而輔助教師教學，幫助學生學習。3D打印技術，讓物理情境不再是單純依靠想象，而是變為真實的觀察、觸摸、感知的模型，增強學生物理學習真實體驗。

關鍵詞：3D打印技術輔助教學力學

力學是高中物理知識體系中非常重要的部分。當在課堂實際教學中涉及一些較為抽象的力學物理模型時，我們往往希望能夠將物理模型整體展示給學生看，同時讓學生從不同角度觀察物理模型。物理模型的多角度演示，可以讓學生觀察得更全面更充分，降低他們理解抽象物理模型的難度，并且讓他們在理解力學概念等知識的同時，增強自身空間想象能力和空間建構能力。在實際教學中，每當需要進行實物模型展示時，為了達到更深層的教學目的、取得更好的教學效果，我們經常會引導學生觀察模型的立體圖、三視圖或者截面圖，然而圖片難以讓學生獲得足夠的視覺刺激，學生聽課效率不高，理解吸收比較慢。當孩子獨立遇到書本或練習中設立的物理情境時，模型的立體性、多樣化往往會讓孩子難以思考全面、無法分析準確。3D打印技術的日益發展與成熟，為物理教學提供了多一種可能。

一、3D打印技術簡介

3D打印又稱增材制造，它是一種以數字模型文件為基礎，利用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的一種快速成型技術。我們可以把一些平日只存在于書本中的物理情境圖，利用3D設計軟件做出三維圖，再通過3D打印機將其變成真實可觸的模型供孩子們學習使用。

二、利用3D打印制作物理基礎模型

其實很多物理模型并不復雜，一般是把物體理想化為質點、木塊、小球、木板，物體之間一般直接接觸或通過輕繩、輕桿、橡皮筋或彈簧連接，物體置于水平面、斜面以及圓弧軌道、管道等曲面中。這些基礎模型我們完全可以通過3D打印直接制作出來，用于孩子們課上課下學習使用。由于3D打印材料本身成本不高，我們完全可以打印出成套模型，每套配有多個木塊、小球、環、桿、斜面等多個模型，來滿足教學活動中不同情景需要。利用3D打印可以直接打印出想要的尺寸，可以制作較大的模型供教師演示，也可以制作小模型發給孩子們使用。利用3D打印可以直接制作一些尺寸匹配的配套模型，打印一些尺寸樣式一樣的模型等。

三、利用基礎模型組合力學常見模型

（一）輔助力學模型教學演示

基礎模型打印制作完畢后，我們就可以根據課本和練習中所設立的情景利用模型輔助教學。以人教版必修第一冊為例，在共點力平衡中的所描述的一些情景中，如斜面上的小球在豎直擋板的作用下保持靜止這一模型的受力分析。利用3D模型學生可以直觀感受到小球的受力情況。只需要撤去擋板或者輕微移動擋板，學生就會發現模型變化情況，通過這種方式，孩子們很容易明白斜面和擋板起到的作用，以及它們之間彈力作用效果。這將有助于加深孩子對彈力的大小方向等概念規律的理解。

教材中還給出過一臺空調外機用兩個三角形支架固定在外墻上的圖片，而課本給出的實物圖只是一個側視圖，學生根本看不到有兩個支架。學生需要通過結合圖片解讀題目，并且憑借生活經驗來理解整個模型的樣子。教師在進行這個模型的分解講解時，一般需要畫出相應的立體圖或正視圖來配合教學。而利用3D打印模型進行簡單的組合，就能夠把這個情境真實地展現在學生面前。學生自然就能通過觀察，快速抓住這個模型的特點，理解支架在這個模型中的作用。

由于生活中的很多彈力是由微小形變導致的。所以單看圖片展現的情景學生很難知道是否有彈力的存在，以及彈力的大小和方向，只能通過一些物理方法和學過的物理概念規律來側面地對物理情景進行分析和判斷。而由于分析得來的結論很難得到真實的驗證，學生其實一直都在理論層面上學習物理，被動掌握物理的方法、理解物理的規律，又如何能將所學的物理知識規律用于生活實際問題分析呢？

（二）輔助力學模型受力分析

相互作用力與彈力的教學中經常會給出一些物理情境，讓學生判斷彈力的有無。例如把一個小球放在水平面或曲面上，旁邊緊挨著放一個立方體或者球體。判斷兩者之間是否有彈力。對于這一類問題我們可以運用假設法，或者利用簡單的平衡力知識去分析判斷彈力的有無。但其實究竟有沒有彈力？現實中是否真的如此？學生是無法去驗證的，最終他們只能也只是通過固有的理論去分析。如果我們能把這個情境以實物的方式展現在學生面前，學生只要把旁邊的物體挪走。看看小球動不動就能判斷之前兩個物體之間是否有擠壓，是否有彈力。這樣通過實際情境的觀察感知，再上升到理論的分析，最后得到結論理解物理概念規律。這樣更符合物理知識規律的理解認知的建構。

掌握彈力和摩擦力大小、方向的判斷一直是教學的重點難點。例如，將一個輕質小環或小球套在桿上。“就像串糖葫蘆一樣。”我們經常需要通過這樣的比喻描述來幫助學生理解這樣的一個模型所展示的情景。但即便如此孩子也很難僅僅通過觀察圖片就能快速理解情景，對其中的受力進行準確分析。學生其實內心有很多疑問，桿是如何給小球彈力的作用，摩擦的作用？所給的彈力和摩擦力又是朝著什么方向？為什么小球只能沿桿方向運動？為什么小球在垂直桿方向一定是受力平衡的？其實，有的時候我們也在想要是能把這么一個模型直接放在孩子面前，讓他們看該多好，會大大促進他們對這個模型的理解。

我們可以根據需要讓小球靜止或者運動，學生自然能觀察到小球只能沿著桿運動，可以很輕松地理解彈力在其中起到的作用，我們可以調整桿的角度或者施加外力讓小球相對桿靜止或運動，學生也很容易發現摩擦力的種類和方向也隨之改變，有的時候只需讓孩子看得真切，就能降低他們理解的難度，而3D打印技術能夠打印出我們所需要的模型，起到很好的輔助教學的作用。

責任編輯：黃大燦2827F5D8-C1DA-4E93-8FD2-46ABC46B9726